装配式建筑当前发展困境及未来展望*

戴 佳 宋绍雷 王 宇 陈 叶 李艳丽

(徐州工程学院 江苏 徐州 221018)

近年来,模块化的建筑施工方式引起了世界范围内建筑业的极大关注。顾名思义,模块化建筑施工就是将场外工厂制造的组件或模块经过运输并现场组装,从而形成一个完整建筑的过程[1]。与传统施工方式相比,建筑的模块化施工具有诸多优势,如更快的施工周期(缩短30%以上)、更安全的制造、更好的质量控制和更低的环境影响,被认为是一种改变游戏规则的技术[2]。根据报道[3],这种经现场组装而成的建筑(装配式建筑)已被广泛应用于公寓、酒店、学校、医院、办公室、学生宿舍和其他类型的建筑中(见图1)。装配式建筑所具备的诸多优势与我国近年来提出的“双碳”发展目标不谋而合。然而,目前我国装配式建筑在新建建筑中的比例还不高(见图2),更多还是依赖于传统的现场混凝土浇筑式施工方法[4]。可以看出,装配式建筑发展之路比较漫长,有必要针对装配式建筑发展缓慢背后深层次的原因进行分析。

图1 装配式建筑案例

图2 2016～2020年我国装配式建筑面积占新建建筑面积比

1 面临的困境及对策

1.1 缺乏设计的规范化指南

为确保建筑的安全设计,任何结构的设计载荷都需要考虑所有可能出现的情况,然而目前模块化建筑的设计标准是基于传统建筑在考虑稳定性、强度和可用性的极限状态设计标准而进行的设计。当模块化结构中产生短期载荷,就会引起结构荷载不同,从而影响荷载传递的机制。此外,装配式建筑施工过程所需的基础设施也与传统方法不同,需要考虑几何不准确和安装时带来的影响,这就决定了模块的设计需要高度的详细。区别于传统建筑的设计体系,我们认为有必要为模块化结构建立合适的设计准则,以促进对安全和高质量的模块化结构的使用。众多科研工作者在这方面进行了尝试,有提出预制建筑的制造和面向装配的参数设计,也有利用建筑信息建模(BIM)技术在指定的时间和成本上进行有效的组织,模拟项目的开展,这些被证实基于图形的建筑设计模型可以用来进行表示和分析建筑项目,尽管此类尝试尚不完善,但为规范化设计指出了一条思路[5]。

1.2 缺乏专业技术人才和信心

尽管装配式建筑在国内已经发展数年,特别是近年来国家大力倡导装配式建筑,但仍缺乏大量知识渊博和经验丰富的专家以及一线工人,这都成为制约模块化建筑发展的主要障碍。基于现状,部分大学已经开展了一些相关专业知识的学生培养和工作培训,为预制模块产品和后期服务提供必要的技术支持。工业界也开展了相应的技能培训,让工人具备一定的工作经验,通过这一些系列举措,“十四五”装配式建筑占新建建筑的比例高达30%以上。此外,装配式建筑属于一个新概念,预制组件和模块化的概念在大多数情况下还不能完全被客户所接受,特别是对其质量的可靠性,使得模块的生产企业担负了较大的风险,企业的良性发展面临重重困难。当下需要不断提高装配式建筑的质量,并通过教育、沟通等方式在大众心中树立起对装配式建筑安全可靠的信心。

1.3 运输困难

装配式模块在场外完成生产后,需要运输到施工现场进行组装。从经济的角度来讲,运输者以最大量进行运输,这样可以有效节省运输成本,在保证安全的情况下,这对于小型模块是完全适用的。然而,对于一个完整的大尺寸模块来说,特别是在通过狭窄区域时,将面临巨大挑战。此外,运输过程中车辆振动可能对部件造成损伤,且损伤强度一般会随着路面颠簸度的增加而增加。为了有效降低因颠簸造成的运输困难,可以使用具有减振器的车辆来运输,对于宽度较大的模块则需要额外考虑预防措施,如低底盘的车辆等[6],从而增加运输吊装对构件的影响。

1.4 可靠的连接系统

模块组装后整体结构的稳定性和强度受到模块与模块之间连接特性的直接影响。在现有的一些可用的连接方式中,并不能完全满足模块组装的完整性要求。特别是在极端加载条件下,如何保证模块化连接起来的结构仍然保持其完整性将是我们所要面临的一个关键挑战。为了尽可能实现完美的装配,模块的连接通道可以在外部进行,以便工人安全、方便地进入连接点。此外,不断创新的联接方式以及其在快速组装和拆卸自动化技术方面的能力将为装配式建筑发展注入新的活力。

1.5 成本问题

建立生产预制建筑构件的制造工厂需要较大的初始资金[7]。据报道,我国预制构件发展所面临的最大挑战就是成本问题,总体生产和运输成本估计比传统建筑高出20%以上。通过分析国外建造商对装配式建筑的观点可以发现,高昂的初始成本是制约其发展的主要原因之一。如果预制构件是在城市中进行生产的则将进一步提高其初始成本,这就要求生产商在城市外进行生产,并通过改进技术,一次性生产更多的模块来降低成本。而采用模块化建设方式后,建设周期的缩短将会降低现场劳动力成本,从而抵消部分高昂的初始成本。

当下装配式建筑的发展存在诸多潜在的困难,但大部分与产品本身无关,更多的是缺乏支撑。为了应对这些挑战,有效增加业主对装配式建筑的接受度和使用度,政府需要为模块化建设创造一个有利的环境。此外科研工作者也应进一步研发性能优异的模块,为装配式建筑的发展提供助力。

2 未来发展展望

当前我国正处于从中低收入向中高收入发展的过渡阶段,城镇化建设力度不断加强。但据统计,我国每年建设的超过12亿m2以上的城市住宅中大多数仍采用传统模式的钢筋混凝土高层建筑,这就要求建筑行业必须进行产业化升级,逐步从传统的粗放型施工向集约、精细的工业化生产转变。建筑业的转型升级,必然带来行业生产方式的大变革。近年来,装配式建筑凭借自身的优势和特点,在国家多个重要文件如:《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》、《装配式钢结构住宅建筑技术标准》、《关于大力发展钢结构建筑的意见(征求意见稿)》等的支持下,在全国新建建筑中的比例逐年升高。随着各地政府相关具体政策的陆续出台,装配式建筑发展将进入快速发展期。

此外,新材料、新技术的出现为模块化建筑性能的提升提供了可能。目前研究人员正在研究纤维增强聚合物(FRP)复合材料在预制建筑中的应用,从而判断是否取代传统的木材、混凝土和钢材料的潜力[8]。尽管这些复合材料的长期性能和在极端荷载条件下的表现尚未得到广泛的研究,但其在静负载下的短期性能表现优异,表明其有很大的潜在应用价值。针对FRP材料的脆性或低延性,通过引入基于层设计的结构,玻璃纤维增强聚合物(GFRP)-木夹层梁在静载荷作用下的弯曲性能得到明显提高[9]。用预制耐火面板组装的大型GFRP结构的耐火后力学性能表明,模块化的GFRP多细胞板在90 min的火灾实验后仍能够维持大约一半的结构刚度和容量[10]。与典型的砖房相比,复合夹层结构可以提供更高的比强度、更好的保温性和更低的环境影响,而声学性能和消防安全性仍有待提高。截止到目前,还没有足够的科学研究来验证在模块化结构中使用新的复合材料的好处,大多数设计工程师仅能依靠实验结果来了解其性能[11]。通过对复合材料制造的模块进行深入研究,可以为预制建筑工业提供一种具有成本效益和耐用的解决方案。

3 结语

笔者系统介绍了模块化建设发展所面临的困境,并提出了相应的对策,结合当前国家政策形式和技术发展来展望了装配式建筑发展的未来前景,可以得出:尽管目前模块化建筑比例尚不高,但模块化建设在减少材料的使用、缩短工期、降低能耗、减少污染物排放等方面表现出较大的优势。随着模块设计的规范化,生产技术的不断升级,成本的进一步降低以及国家政策的大力支持,人们对模块化建筑的认可度和信心必将不断提升,装配式建筑将会迎来快速发展的新高潮,助力国家在建筑业早日实现“双碳”目标。